Микрогравитация: насколько силен космонавт

Хотя объект не имеет веса, он все же имеет массу.

При отсутствии трения сила — это просто вопрос того, как быстро вы можете ее ускорить. По сути, это то же самое, что толкать предмет на катке.

Таким образом, если вы можете создать силу в 800 Н, эквивалентную подъему собственного веса на земле (например, при подтягивании), вы можете разогнать танк с a = F/m = 800 Н/635 кг = немногим более 1 м/с^ 2 Если вы находитесь в контакте с ним в течение 1 секунды, он покинет станцию ​​с (относительной) скоростью 1 м/с.

Реальная сила для схода с орбиты исходит от атмосферного трения на большой площади поверхности.

Сначала я отвечу на ваш второй вопрос: отходы обычно собираются, а затем выбрасываются в более тяжелые и массивные объекты (такие как этот танк или космические корабли), поскольку их легче отслеживать, чем более мелкие частицы, и они также могут (в идеале) выбрасываться таким образом. что они быстро попадают в атмосферу и, следовательно, быстро сгорают.

Если бы отходы просто «выбрасывались в окно», они бы циркулировали вокруг Земли довольно долго – ведь атмосфера там довольно разреженная, и потребуется много времени, чтобы замедлить мелкие частицы отходов настолько, чтобы они попадают в нижние области и сгорают в атмосфере.

Поскольку даже мельчайшие частицы могут быть опасны как для МКС, так и для других космических аппаратов, обычно стараются избегать загрязняющих орбит.

Что касается вашего первого вопроса: ключевое уравнение$\vec F = m \vec a$. На земле,$\vec F$состоит из силы, вызванной выбросом человеком чего-либо за борт, силы тяжести и, возможно, трения и других сил (если вы летите на самолете и хотите что-то выбросить):

На МКС обычно¹$\vec F_{\textrm{grav}} \approx 0$, и другие силы, вызванные трением, также пренебрежимо малы, что тогда означает, что человек мог бы разогнать любое тело до любой скорости (в ньютоновском пределе) при условии, что он был в состоянии достаточно долго прилагать даже небольшую силу.

Однако есть два улова:

Во-первых, тело, ускоренное человеком, будет оказывать на человека силу равной величины, но также и в противоположном направлении - подставка для ног, как вы заметили, необходима. Она связывает человека с МКС и, следовательно, означает, что инерция всей МКС сопротивляется ускорению за счет силы реакции тела. Этот эффект становится очевидным, когда вы смотрите на «центр масс», а не на каркас МКС.

В этом кадре возьмите МКС и танк на позиции$0$в$t = 0$, теперь мы будем использовать одномерную систему координат. Нижние индексы обозначают объект, обладающий соответствующим свойством, верхние индексы — систему отсчета.

МКС теперь воздействует на танк, заставляя его ускоряться с ускорением.$a$до скорости$v_{t}$(космонавт отталкивает танк, ускоряя его на$a^{I}_{t}$разгоняться, набирать скорость$v^{I}_{t}$с его точки зрения).

Как известно, импульс должен сохраняться, и если до толчка суммарный импульс был равен нулю (все аккуратно сидело в начале координат), то уже нет: у танка есть импульс$p_{t} = m_{t} v$. С

у нас есть

и в результате преобразования Галилея:

То есть, пока у космонавта может сложиться впечатление, что в результате его действий танк улетает, МКС тоже улетает в противоположном направлении. Если$m_I \gg m_t$,$|v_I| \ll |v_t|$, но если$m_I \approx m_t$,$v_I \approx - v_t$. Следовательно, существует верхняя граница массы, которую астронавт может выбросить, исходя из того, насколько вы хотите, чтобы МКС двигалась сама ($m_I \approx 4.5 \times 10^{5}\textrm{ kg}$согласно Википедии ).

Во-вторых,$F_{\textrm{grav}} > 0$даже на МКС. Но, учитывая цифры в сносках и предполагая, что$F_{\textrm{human}} = 500\textrm{ N}$, у нас есть$m_{\textrm{max}} = 6.631\times10^3\textrm{ kg}$(установив ускорение, вызванное человеком, равным ускорению, вызванному центробежной/гравитационной силой).

Обратите внимание, что этот расчет является строго ньютоновским и не учитывает никаких релятивистских эффектов. Так что не бросайте вещи слишком быстро!

[1] Если рассчитать ускорение свободного падения в$6371\textrm{ km} + 400\textrm{ km}$вдали от Земли ($m_{E} = 5.9736 \times 10^{24}\textrm{ kg}$) центр, вы найдете$g = -8.69\textrm{ ms}^{-2}$. Однако центробежная сила, испытываемая МКС из-за ее орбиты ($v = 7706.6\textrm{ ms}^{-1}$) является$a = 8.7714\textrm{ ms}^{-2}$, в результате чего$g_{\textrm{actual}} = 0.0754\textrm{ ms}^{-2}$. Это указывает на то, что с точки зрения космонавта на самом деле легче подбрасывать предметы вверх , чем вниз. Есть комментарии по этому поводу?

Я боролся с этим вопросом. Мы должны быть реалистами. Это высота МКС с течением времени:

Это отражает рабочий диапазон МКС, это важно, потому что я нахожу это обманчивым:

Клейтон Андерсон выбросил за борт Международной космической станции (МКС) 635-килограммовый баллон с аммиачным теплоносителем. Впоследствии танк, как и планировалось, сгорел в земной атмосфере.

Значит ли это, что он сгорел на первом проходе? Мой вывод состоит в том, что этого не может быть.

Рассмотрим космонавта, способного$(70 kg) ( 9.8 m/s^2)=686 N$силы на протяжении$0.5 m$. Это привело бы к передаче кинетической энергии$KE=F d=343 J$. Предположим, что гравитация вблизи МКС примерно равна$9.0 m/s^2$, и используйте очень простой$m g h$формулу, чтобы найти, что, если мы допустим только круговые орбиты, он сможет изменить высоту только на:

Мы также должны учитывать, что орбитальная энергия$\frac{G M }{2 r}$, не просто$\frac{G M }{r}$, так что на самом деле это$12 cm$, нет$6 cm$. Кроме того, мы можем считать, что упадет только средний радиус радиуса.$12 cm$, так что нижняя точка орбиты может измениться$24 cm$.

Сравните несколько сантиметров с обычной орбитальной дальностью большей части 100 км для МКС. Просто сам бросок не имеет существенного значения. Лучшее, на что они могли надеяться, это то, что бросок избежит столкновения с МКС во время второго прохода . Это возможно не из-за нескольких сантиметров движения, а потому, что период орбиты можно изменить броском, гарантируя, что впоследствии он не рискует столкнуться.

Танк, вероятно, сделал много витков, чтобы окончательно сгореть в атмосфере. Небольшой поиск подтверждает это.

Кусок мусора космической станции размером с холодильник готов погрузиться в атмосферу Земли поздно вечером в воскресенье, более чем через год после того, как астронавт выбросил его за борт .

http://www.space.com/6053-space-station-trash-plunging-earth.html

Функция подставки для ног в этом сценарии заключалась в том, чтобы не дать Андерсону причинить себе вред или потенциально убить себя. Третий закон Ньютона говорит нам, что каждое действие имеет равное и противоположное противодействие. Андерсону пришлось чертовски сильно надавить на этот танк, чтобы заставить его разогнаться от него. Это значит, что танк давил на него одинаково сильно. Астронавту нужна была подножка, чтобы не врезаться в стену или в глубины космоса.